徐長(zhǎng)江　熊明　杜濤　李立平　邵駿

摘要：水庫(kù)在正常調(diào)度運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通常僅考慮本工程下游近壩河段用水需求，如能結(jié)合水庫(kù)自身特點(diǎn)和上游及區(qū)間來水情況，兼顧下游干流關(guān)鍵控制斷面的用水需求，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控，可進(jìn)一步提高干流關(guān)鍵控制斷面最小下泄流量指標(biāo)保證率。為此，構(gòu)建了一套面向水資源及水生態(tài)的并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控方法體系，通過獲取并聯(lián)水庫(kù)干支流控制斷面流量需求指標(biāo)和水庫(kù)及區(qū)間來流量，刻畫并聯(lián)水庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)，確定并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)并聯(lián)水庫(kù)實(shí)時(shí)下泄流量?jī)?yōu)化推求，并選取澧水流域作為實(shí)例研究進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：相比天然來水條件，并聯(lián)水庫(kù)單獨(dú)調(diào)控方案和聯(lián)合調(diào)控方案均能提高干支流控制斷面最小下泄流量保證率；并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控方法在保障支流斷面最小下泄流量指標(biāo)保證率及發(fā)電效益的基礎(chǔ)上，能夠顯著提高干流控制斷面最小下泄流量指標(biāo)保證率。研究成果可為提高并聯(lián)水庫(kù)水量利用率及下游控制斷面最小下泄流量保證率提供技術(shù)支撐。

關(guān) 鍵 詞：生態(tài)環(huán)境流量； 最小下泄流量； 并聯(lián)水庫(kù)； 聯(lián)合調(diào)控； 澧水流域

中圖法分類號(hào)： TV697.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.011

0 引 言

為治理河流、開發(fā)利用水資源以緩解日益增長(zhǎng)的水資源供需矛盾，人們通常采取筑壩建庫(kù)方式對(duì)河川徑流進(jìn)行調(diào)節(jié)，這在產(chǎn)生巨大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也在一定程度上影響了工程下游河道的天然生態(tài)環(huán)境需求［1-3］。生態(tài)環(huán)境流量是一項(xiàng)維持河湖生態(tài)系統(tǒng)特定功能不喪失的重要表征指標(biāo)，水庫(kù)在滿足自身開發(fā)任務(wù)的基礎(chǔ)上，下泄生態(tài)環(huán)境流量及滿足下游河道內(nèi)外用水需求已成為水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行的一項(xiàng)重要任務(wù)并被納入考核。2021年實(shí)施的《中華人民共和國(guó)長(zhǎng)江保護(hù)法》明確規(guī)定：長(zhǎng)江干流、重要支流和重要湖泊上游的水利水電、航運(yùn)樞紐等工程應(yīng)將生態(tài)用水調(diào)度納入日常運(yùn)行調(diào)度規(guī)程，建立常規(guī)生態(tài)調(diào)度機(jī)制，保證河湖生態(tài)流量。

近年來，諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水庫(kù)生態(tài)環(huán)境流量調(diào)控開展了大量研究工作［4-6］。Jager等［4］曾指出，通常采用的水庫(kù)優(yōu)化運(yùn)行方案并未充分考慮水生生態(tài)系統(tǒng)需求，并提出了一種在滿足供水和發(fā)電等社會(huì)基本需求前提下的生態(tài)調(diào)度方法。朱金峰等［5］通過考慮生態(tài)流量目標(biāo)需求，建立了沙河水庫(kù)群生態(tài)用水調(diào)度模型，調(diào)度結(jié)果可有效減小供水期末的生態(tài)破壞，并且顯著提高了最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量的保證率。陳志剛等［6］系統(tǒng)梳理了過去（2000年以前）和現(xiàn)在（2001～2019年）世界各地生態(tài)調(diào)度實(shí)踐的研究情況，并進(jìn)一步對(duì)未來的研究作了展望。

并聯(lián)水庫(kù)在正常調(diào)度運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通常僅考慮本工程下游近壩河段用水需求，如能結(jié)合水庫(kù)自身特點(diǎn)和上游及區(qū)間來水情況，兼顧下游干流關(guān)鍵控制斷面的用水需求，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控，可進(jìn)一步提高干流關(guān)鍵控制斷面最小下泄流量指標(biāo)保證率，高效支撐流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。如何考慮并聯(lián)水庫(kù)下游不同河段對(duì)生態(tài)環(huán)境流量或最小下泄流量的不同要求，綜合考慮并聯(lián)水庫(kù)庫(kù)容條件、水庫(kù)上游及區(qū)間來水條件，最大限度地提高下游控制斷面的最小下泄流量的保證率，目前尚無成熟的方法。本研究擬構(gòu)建一套面向水資源及水生態(tài)的并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控方法體系，通過獲取并聯(lián)水庫(kù)干支流控制斷面流量需求指標(biāo)和水庫(kù)及區(qū)間來流量、刻畫并聯(lián)水庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)、確定并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)并聯(lián)水庫(kù)實(shí)時(shí)下泄流量?jī)?yōu)化推求，以期為提高并聯(lián)水庫(kù)水量利用率及下游控制斷面最小下泄流量保證率提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

澧水為洞庭湖水系第四大河流，干流全長(zhǎng)388 km，總落差1 439 m，小渡口以上流域面積18 564 km2，流域范圍為28°56′N～30°10′N，109°38′E～111°58′E（見圖1）。澧水流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均降水量約1 536 mm（1956～2016年，下同），多年平均水面蒸發(fā)量550～850 mm，多年平均天然徑流量約168億m3，約占洞庭湖區(qū)的8.1%［7-8］。溇水為澧水最大支流，河長(zhǎng)248 km，流域面積5 048 km2；渫水為澧水第二大支流，河長(zhǎng)171 km，流域面積3 201 km2。

溇水和渫水下游分別建有江埡和皂市兩座澧水流域控制性水利樞紐，控制面積分別為3 711 km2和3 000 km2。澧水下游石門斷面為澧水流域干流重要控制節(jié)點(diǎn)。

澧水支流溇水設(shè)有淋溪河、長(zhǎng)潭河水文站，分別位于江埡水庫(kù)上、下游；支流渫水設(shè)有皂市水文站，位于皂市水庫(kù)下游；干流石門控制節(jié)點(diǎn)設(shè)有石門水文站。本研究收集了各站建站至2022年的逐日平均流量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來自湖南省水文局。考慮到江埡、皂市兩座控制性水利樞紐工程分別于1998年10月、2007年10月下閘蓄水，樞紐建成投運(yùn)對(duì)江埡、皂市、石門控制斷面的天然日均流量過程影響顯著［9-10］，故而本研究采用1953～1997年共45 a各斷面未受到工程調(diào)蓄影響的天然徑流系列進(jìn)行實(shí)例研究，其中，江埡斷面逐日流量系列依據(jù)淋溪河、長(zhǎng)潭河站推求。澧水流域干支流主要水文站基本情況見表1，江埡、皂市壩址及石門控制斷面1953～1997年天然日均流量-保證率（P）曲線見圖2。

2 研究方法

2.1 傳統(tǒng)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度

傳統(tǒng)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度實(shí)質(zhì)即一定約束條件和解空間下的最優(yōu)化問題，目標(biāo)函數(shù)可表示為［11］

max{F1（r），F(xiàn)2（r），…，F(xiàn)n（r）}（1）

式中：Fi（r）為第i個(gè)經(jīng)濟(jì)或社會(huì)效益目標(biāo)，r為所有自變量組成的向量，n為目標(biāo)個(gè)數(shù)。

傳統(tǒng)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度是通過水量平衡約束、水位約束、水輪機(jī)最大過機(jī)流量約束、出力約束等條件，結(jié)合實(shí)測(cè)長(zhǎng)系列水文資料進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。以上調(diào)度模型大多以防洪、發(fā)電、灌溉、供水為目標(biāo)，未能充分考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的用水需求。

2.2 面向水資源及水生態(tài)的并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控

根據(jù)澧水流域特性，本研究將干支流主要控制性工程及控制斷面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概化如圖3所示。圖中：

QA生t、QB生t分別為并聯(lián)水庫(kù)A、B下泄生態(tài)環(huán)境流量或最小下泄流量需求，本研究中取皂市、江埡水庫(kù)的最小下泄流量，m3/s；

QC控t為干流控制斷面C要求的最小下泄流量，本研究中取石門斷面最小下泄流量，m3/s；

QAt、QBt分別為并聯(lián)水庫(kù)A、B來流量，m3/s；

QABCt為并聯(lián)水庫(kù)A、B與控制斷面C區(qū)間的來流量，m3/s；

QA下t、QB下t分別為并聯(lián)水庫(kù)A、B下泄流量，m3/s；

QC下t為并聯(lián)水庫(kù)A、B下泄流量與區(qū)間流量QABCt在干流控制斷面C處的合成流量，m3/s；

ZAt、ZA死、ZA高分別為并聯(lián)水庫(kù)A實(shí)時(shí)運(yùn)行水位、死水位、正常高水位，m；

ZBt、ZB死、ZB高分別為并聯(lián)水庫(kù)B實(shí)時(shí)運(yùn)行水位、死水位、正常高水位，m；

VAt、VBt分別為并聯(lián)水庫(kù)A、B實(shí)時(shí)運(yùn)行水位與死水位之間的實(shí)時(shí)運(yùn)行有效庫(kù)容，億m3；

VA、VB分別為并聯(lián)水庫(kù)A、B正常高水位與死水位之間的興利庫(kù)容，億m3。

基于此，本研究構(gòu)建了一套面向水資源及水生態(tài)的并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控方法體系：① 獲取并聯(lián)水庫(kù)干支流控制斷面最小下泄流量指標(biāo)和并聯(lián)水庫(kù)及區(qū)間來流量；② 刻畫并聯(lián)水庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)；③ 確定并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控目標(biāo)；④ 并聯(lián)水庫(kù)實(shí)時(shí)下泄流量推求。

2.2.1 干支流控制斷面最小下泄流量指標(biāo)及來流量確定

根據(jù)河流特性，確定并聯(lián)水庫(kù)A、B下游各自所處支流控制斷面、干流控制斷面C的最小下泄流量QA生t、QB生t和QC控t。其中，最小下泄流量系滿足河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境和河道外生產(chǎn)、生活、生態(tài)需水要求的河道控制斷面允許最小流量［12］，生態(tài)環(huán)境流量的計(jì)算方法主要包括水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、水文-生物分析方法、生境模擬法或綜合評(píng)價(jià)法等［13-17］。

并聯(lián)水庫(kù)上游以及并聯(lián)水庫(kù)至干流控制斷面C之間的來流量QAt、QBt和QABCt，主要依據(jù)降水和水文資料由水文模型計(jì)算，亦可采用水庫(kù)或流域的水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)成果［18］。

2.2.2 并聯(lián)水庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)定刻畫

根據(jù)并聯(lián)水庫(kù)A、B的實(shí)時(shí)運(yùn)行有效庫(kù)容VAt、VBt評(píng)定指標(biāo)，將并聯(lián)水庫(kù)A、B的運(yùn)行狀態(tài)刻畫為以下3種狀態(tài)。

3 結(jié)果分析

3.1 澧水流域干支流主要斷面流量需求指標(biāo)

流域主要控制斷面流量需求指標(biāo)通常經(jīng)分析研究后由管理部門批復(fù)確定，成果主要來自流域規(guī)劃、水量分配方案、水資源調(diào)度方案、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、水資源論證、生態(tài)流量保障方案等。最初確定的澧水流域主要斷面（皂市、江埡、石門）最小下泄流量指標(biāo)［19-20］：QA生t=35.0 m3/s，QB生t=17.0 m3/s，QC控t=78.0 m3/s。其中，石門為澧水流域干流出口控制斷面，相比于皂市、江埡斷面，石門節(jié)點(diǎn)，石門縣城所在地河道外用水需求較多，因此保障要求相對(duì)較高。管理部門通常以保證率不低于90%作為斷面最小下泄流量指標(biāo)滿足程度考核標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 最小下泄流量天然保證率分析

根據(jù)各斷面1953～1997年天然逐日流量系列繪制最小下泄流量天然保證率曲線，結(jié)果如圖5所示。可見，受限于天然來水條件，皂市斷面下游最小下泄流量指標(biāo)天然保證率較低，僅為51.79%，江埡及石門控制斷面保證率相對(duì)較高，分別為88.67%和84.82%，但各斷面天然保證率均未達(dá)到90%。

3.3 并聯(lián)水庫(kù)單獨(dú)調(diào)控

兩并聯(lián)水庫(kù)在滿足自身調(diào)度規(guī)程的基礎(chǔ)上，分別考慮各自最小下泄流量需求，長(zhǎng)系列調(diào)控結(jié)果如圖6和表2所示。結(jié)果表明：相比天然來水條件，經(jīng)皂市、江埡兩水庫(kù)單獨(dú)調(diào)控后，兩庫(kù)最小下泄流量保證率分別從51.79%，88.67%提高到80.97%，98.17%，受益于調(diào)控增泄，石門斷面最小下泄流量保證率也有較為顯著的提高，從84.82%提高到97.58%。

總體來看，相比天然來水條件，兩并聯(lián)水庫(kù)在滿足自身調(diào)度規(guī)則的基礎(chǔ)上，分別考慮各自最小下泄流量需求實(shí)施單獨(dú)調(diào)控，可提高干支流控制斷面最小下泄流量保證率，但對(duì)于皂市斷面，保證率提高有限，僅達(dá)到80.97%。經(jīng)過進(jìn)一步研究，管理部門將皂市斷面最小下泄流量指標(biāo)調(diào)整為22 m3/s［21］，在此基礎(chǔ)上分析并聯(lián)水庫(kù)單獨(dú)調(diào)控情況下各斷面指標(biāo)保證率，結(jié)果如圖7和表3所示。

結(jié)果表明，皂市斷面最小下泄流量指標(biāo)調(diào)整后，改變了皂市水庫(kù)出庫(kù)過程及干流石門斷面合成流量過程，最終各斷面最小下泄流量保證率均達(dá)到90%以上，實(shí)現(xiàn)了整體優(yōu)化。

3.4 并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控

進(jìn)一步應(yīng)用本研究提出的并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控方法，兩并聯(lián)水庫(kù)在滿足自身調(diào)度任務(wù)的基礎(chǔ)上，考慮各自最小下泄流量需求，同時(shí)兼顧干流石門斷面最小下泄流量需求，長(zhǎng)系列調(diào)控結(jié)果如表4和圖8所示。結(jié)果表明：相比天然來水條件，經(jīng)皂市、江埡兩并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控后，各斷面最小下泄流量保證率均有較為顯著的提高，特別是干流石門控制斷面，保證率從天然的84.82%提高到聯(lián)合調(diào)控后的96.43%。

與并聯(lián)水庫(kù)單獨(dú)調(diào)控結(jié)果相比，在確保皂市、江埡斷面保證率不降低的前提下，本研究提出的并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控方式兼顧了下游干流關(guān)鍵控制斷面石門斷面的最小下泄流量需求，充分利用了并聯(lián)水庫(kù)的互濟(jì)作用，進(jìn)一步提高了石門斷面保證率，從92.54%提高到96.43%。

由此可見，本研究所建立的并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控方法在保障支流斷面最小下泄流量指標(biāo)保證率的基礎(chǔ)上，能夠顯著提高干流控制斷面最小下泄流量指標(biāo)保證率。

3.5 并聯(lián)水庫(kù)興利效益分析

在皂市斷面調(diào)整最小下泄流量指標(biāo)后，并聯(lián)水庫(kù)單獨(dú)調(diào)控方案下，皂市、江埡、石門斷面的最小下泄流量長(zhǎng)系列保證率分別為92.45%，98.17%，92.54%，皂市、江埡水電站多年平均年發(fā)電量分別為2.96億kW·h和7.20億kW·h；并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控方案下，在確保皂市、江埡斷面最小下泄流量保證率和發(fā)電量不降低的前提下，通過充分發(fā)揮并聯(lián)水庫(kù)的調(diào)蓄互濟(jì)作用，石門斷面最小下泄流量長(zhǎng)系列保證率提高至96.43%，更好地滿足了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水需求，實(shí)踐了生態(tài)保護(hù)。

4 結(jié) 論

對(duì)于有大型水利工程控制的流域，統(tǒng)籌考慮干支流斷面生態(tài)環(huán)境和河道內(nèi)外用水需求，有助于實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理配置水資源，保障河湖基本生態(tài)用水，確保水資源安全和生態(tài)安全，全力支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。本研究構(gòu)建了一套面向水資源及水生態(tài)的并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控方法體系，將其應(yīng)用于澧水流域進(jìn)行實(shí)例研究，所得結(jié)論如下：

（1） 天然來水條件下，澧水流域皂市斷面最小下泄流量指標(biāo)保證率較低，江埡及石門控制斷面保證率相對(duì)較高，但均低于90%。

（2） 相比天然來水條件，水庫(kù)通過調(diào)豐補(bǔ)枯，改變下泄過程，能顯著提高壩址斷面最小下泄流量保證率，并相應(yīng)改善下游控制斷面的流量過程及用水條件。

（3） 相比單獨(dú)調(diào)控方案，本研究所建立的并聯(lián)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控方法在保障支流斷面最小下泄流量指標(biāo)保證率及發(fā)電效益的基礎(chǔ)上，能夠顯著提高干流控制斷面最小下泄流量指標(biāo)保證率，更好地支撐流域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等綜合用水需求。

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（編輯：謝玲嫻）

Study on joint operation of parallel reservoirs considering both water resources and water ecology

XU Changjiang1，XIONG Ming1，DU Tao2，LI Liping1，SHAO Jun1

（1.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 2.Upper Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Chongqing 400020，China）

Abstract： On the basis of normal operation，reservoirs usually consider the water demand of downstream reach close to the dam.If the characteristics of reservoir itself and the upstream and regional inflow，the water demand of the key control section of downstream main stream can be considered and jointly regulated，the guarantee rate of the minimum discharge flow index of the key control section in the main stream can be improved.In this paper，a set of joint regulation method system orienting to water resources and water ecology was established.By obtaining the control section demand index of the mainstream and tributaries of the parallel reservoirs and the discharge of the reservoirs and the river interval，the operation states of the reservoirs were described，the joint regulation objectives of the reservoirs were determined，and the real-time discharge optimization of the reservoirs were finally realized.This paper chose the Lishui River Basin as an example study to verify.It is demonstrated that compared with the natural inflow conditions，the single regulation scheme and the joint regulation scheme of parallel reservoirs can both improve the guarantee rate of the minimum discharge flow at the control sections in the mainstream and tributaries.And the joint regulation scheme can significantly improve the guarantee rate of the minimum discharge index of the main flow control sections on the basis of ensuring the guarantee rate of the minimum discharge index and the power generation efficiency of the tributary section.The research results can be valuable references for improving both the water utilization rate of parallel reservoirs and the guarantee rate of the minimum discharge of the mainstream control section.

Key words： ecological environment flow；minimum discharge flow；parallel reservoirs；joint operation；Lishui River basin

收稿日期：2022-10-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019YFC0408903）；長(zhǎng)江水科學(xué)研究聯(lián)合基金項(xiàng)目（U2240201）

作者簡(jiǎn)介：徐長(zhǎng)江，女，正高級(jí)工程師，博士，主要從事水文分析與計(jì)算等方面的研究。E-mail：Xucj@cjh.com.cn